DIODA ~ MEKATRONIKA SEKAYU

Dioda merupaka komponen elektronika aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor bersifat sebagai isolator pada suhu sekitar 0°C dan pada suhu kamar (±27°C) bersifat sebagai konduktor. Bahan semikonduktor yang digunakan pada dioda umumnya terbuat dari bahan silicon dan germanium.

Dioda adalah suatu komponen elektronika yang dapat melewatkan arus pada satu arah saja. Dioda yang lazim menggunakan sambungan semikonduktor tipe P dan semikonduktor tipe N. Secara skematis dioda sambungan P-N dilakukan seperti pada gambar dibawah.

Gambar ilustrasi di atas menunjukkan sambungan P-N memiliki lapisan deplesi (depletion layer), yaitu lapisan yang memiliki keseimbangan antara hole dan elektron atau juga disebut dengan daerah pengosongan. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron, sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap bebas. Lalu bila dioda diberi bias positif, yaitu memberi tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N (bias maju/forward bias), maka elektron dari sisi N dengan serta merta akan tergerak untuk mengisi hole pada sisi P. Tentu kalau elektron mengisi hole disisi P, maka akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Hal ini disebut aliran hole dari P menuju N, kalau menggunakan terminology arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran listrk dari sisi P ke sisi N.

Bias Maju (Forward Bias)

Bias Mundur (Reverse Bias)

Sebaliknya apakah yang akan terjadi apabila polaritas sumber tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat polaritas lebih besar dari pada sisi P.

Tentu jawabannya adalah tidak akan terjadi perpindahan elektron dari N ke P atau aliran hole dari P ke N. kerana baik hole atau elektron masing-masing tertarik ke arah kutup berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (lapisan pengosongan) semakin besar dan menghalangi terjadinya aliran hole dari P ke N (aliran arus).

Demikianlah prinsip kerja dioda yang hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja yaitu dari P (anoda) ke N (katoda). Dengan tegangan bias maju yang kecil saja dioda sudah menjadi konduktor. Tidak serta merta di atas 0 volt, tetapi memang tegangan beberapa volt baru bisa terjadi konduksi. Ini disebabkan karena adanya dinding lapisan deplesi. Untuk dioda dari bahan silicon tegangan konduksi adalah di atas 0,7 Volt, sedangkan untuk dioda dari bahan germanium tegangan konduksinya adalah di atas 0,3 Volt.

Sebaliknya untuk bias negative dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya sampai beberapa puluh bahkan ratusan Volt. Peristiwa tersbeut disebut breakdown, dimana dioda tidak dapat lagi menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi. Tegangan yang mampu melewati rangkaian reverse bias dioda disebut dengan tegangan breakdown.

Dioda dinyatakan dalam ukuran menurut kemampuan kuat arus yang mampu dialirkan. Semakin besar ukuran fisik dioda, semakin besar kuat arus yang mampu dialirkan. Ukuran arus tersebut merupakan nilai maksimal yang tidak boleh dilampaui, apabila dilampaui maka dioda akan mengalami kerusakan. Khusus bagi dioda dengan kempuan besar biasanya disertai dengan plat pendingin.

Jenis – Jenis Dioda :

1. Dioda Penyearah (rectifier)

Ø Berfungsi untuk menyearahkan tegangan, dari tegangan AC ke tegangan DC.

Ø Terbuat dari bahan silicon.

Ø Banyak digunakan pada rangkaian catu daya (adaptor).

Ø Penentuan kaki anoda dan katoda dapat dilakukan dengan melihat garis / gelang pada body dioda, kaki yang dekat dengan gelang adalah kaki katoda.

Ø Apabila garis sudah hilang, penentuan kaki dapat dilakukan dengan menggunakan multimeter. Atur multimeter analog pada fungsi Ohmmeter, hubungkan kedua probe ke kaki dioda. Tukar probe ke keki sisi lain apabila jarum belum menyimpang. Apabila jarum multimeter sudah menyimpang maka kaki yang terhubung dengan probe hitam adalah kaki anoda sedangkan kaki yang terhubung dengan probe merah adalah kaki katoda.

Ø Perhatikan gambar di bawah, gember tersebut menunjukkan pengujian dioda yang masih normal. Dioda dinyatakan rusak apabila pada gambar A dan B jarum multimeter tetap menyimpang.

2. Dioda Jembatan (Bridge)

Ø Digunakan untuk rangkaian penyearah gelombang penuh pada catu daya (adaptor)

Ø Memiliki empat kaki, 2 kaki input untuk disambungkan ke sumber tegangan AC, 2 kaki output DC ( + / - )sebagai hasil penyearahan.

Ø Dapat dibentuk dari 4 buah dioda penyearah yang dirangkai seperti pada gambar.

Ø Untuk dioda brigde dengan kemampuan daya yang besar disertai plat / dudukan pendingin.

3. Dioda Zener

Dioda Zener dibuat untuk bekerja pada daerah breakdownnya. Apabila sebuah dioda Zener diberikan bias mundur dengan tegangan kecil, dioda ini akan bereaksi seperti dioda biasa yaitu tidak menghantarkan arus listrik. Namun apabila diberi bias mundur dengan tegangan melebihi batas tegangan Zenernya maka dioda akan menghantarkan arus listrik dari Katoda ke Anoda.

Tegangan Zener dari sebuah ditetapkan pada saat dioda tersebut dibuat. Tegangan ini biasanya berada dalam kisaran 2,7 V hingga 200 V, dengan toleransi 5 %. Nilai tegangan Zener tertulis pada body dioda Zener. Kemampuan daya yang dimiliki dioda Zener mulai dari 1/4 Watt sampai 50 Watt. Semakin besar ukuran fisik dioda zener semakin besar pula kemampuan daya dioda tersebut. Daya dioda Zener adalah perkalian antara tegangan dan arusnya yaitu:

Pz = V z x Iz

Selama Pz kurang dari Pz maksimumnya dioda zener tidak akan rusak. Dioda Zener banyak digunakan sebagai penyetabil tegangan / pembatas tegangan.

4. Light Emiting Dioda (LED)

Bila dioda di forward bias, elektron pita konduksi melewati junction dan jatuh ke dalam hole. Pada saat elektron-elektron jatuh pada pita konduksi ke pita valensi, mereka memancarkan energi. Pada dioda LED energy ini dipancarkan sebagai cahaya, sedangkan pada dioda penyearah energy ini keluar sebagai panas. Dengan menggunakan bahan dasar seperti gallium, arsen, dan phosphor pabrik dapat membuat LED yang dapat memancarkan cahaya berwarna merah, kuning, hijau, biru, dan infra merah (tidak kelihatan).

LED biasa digunakan sebagai indicator, peralatan display, jam digital dan lain sebagainya, sedangkan LED infra merah banyak digunakan pada remote televisi, peralatan pengamanan dari tindak pencurian. Keuntungan lampu LED dibandingkan lampu pijar adalah umurnya yang lebih panjang dan tegangannya rendah. LED umumnya hanya memerlukan 2 volt untuk dapat menyala secara normal. Apabila LED mendapatkan tegangan yang lebih besar maka LED akan mengalami kerusakan, maka dalam pemasangannya LED memerlukan resisrtor yang dipasang secara seri sebagai pembatas arus dan tegangan.

Penentuan kaki LED dapat dilakukan dengan melihat kakinya, kaki yang panjang adalah kaki Anoda, sedangkan kaki Katoda adalah kaki yang pendek. Cara lain yaitu sama seperti menentukan kaki pada dioda penyearah. Atur multimeter analog pada fungsi Ohmmeter, hubungkan kedua probe ke kaki LED. Tukar probe ke keki sisi lain apabila jarum belum menyimpang. Apabila jarum multimeter sudah menyimpang atau LED menyala maka kaki yang terhubung dengan probe hitam adalah kaki anoda sedangkan kaki yang terhubung dengan probe merah adalah kaki katoda.

Pengujian LED juga mirip dengan pengujian dioda penyearah, bedanya apabila LED normal saat di uji LED juga akan menyala pada saat Anoda terhubung dengan probe hitam dan Katoda terhubung dengan probe merah.

5. Photo Dioda

Bila diperhatikan, simbol Photo Dioda hampir mirip dengan simbol LED, bedanya adalah simbol LED memiliki anak panah kea rah luar yang artinya memancarkan cahaya. Sedangkan pada simbol Photo Dioda memiliki arah anak panah ke dalam, ini artinya Photo Dioda meneima cahaya dari luar. Nanum pada bentuk fisik antara LED dan Photo dioda memiliki kesamaan.

Energi Thermal menghasilkan pembawa minoritas dalam dioda, makin tinggi suhu makin besar arus dioda yang terbias reverse. Energy cahaya juga menghasilkan pembawa minoritas. Dengan menggunakan jendela kecil untuk membuka junction agar terkena sinar, pabrik dapat membuat photo dioda. Jika cahaya luar mengenai junction photo dioda yang di rangkai bias mundur (revesre bias) akan dihasilkan pasangan elektron-hole dalam lapisan pengosongan. Makin kuat cahaya makin banyak jumlah pembawa yang dihasilkan cahaya makin besar arus bias mundur (reverse). Oleh sebab itu Photo dioda dapat digunakan sebagai sensor cahaya yang baik.

6. Dioda Schottky

Dioda jenis ini menggunakan logam emas, perak, atau platina pada salah satu sisi junction (biasanya pada tipe-N) yang di dop ke sisi lain. Dioda semacam ini adalah piranti unipolar (tidak berpolaritas) karena electron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi junction. Dioda Schottky tidak memiliki lapisan pengosongan atau penyimpanan muatan, sehingga ia dapat di switch (nyala-mati) lebiih cepat daripada dioda bipolar. Sebagai hasilnya piranti ini dapat menyerahkan tegangan diatas frequensi 300MHz, jauh diatas kemampuan dioda bipolar (dioda penyearah).

Rangkaian – Rangkaian Dioda:

1. Rangakaian Penyearah Setengah Gelombang

Rangkaian penyearah adalah rangkaian yang mampu mengkonversikan tegangan AC menjadi tegangan DC. Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang adalah rangkaian penyearah yang hanya menghasilkan arus output dari setengah siklus arus input. Rangkaiannya terdiri dari sebuah diode penyearah saja.

Pada rangkaian dibawah, diperlihatkan kondisi pada kondisi setangah siklus positif fase memiliki tegangan lebih tinggi (+) dari netral (-) sehingga dioda mendapat bias maju (forward bias) sehingga dapat menghantarkan arus. Arus mengalir melewati dioda ke beban dan kembali menuju trafo melewati jalur 0 volt.

Sementara itu dioda tidak menghantarkan arus listrik selama setengah siklus negatif AC yaitu fase memiliki tegangan lebih rendah (-) dari netral (+), sebagaimana diperlihatkan gambar dibawah:

Bentuk gelombang arus yang melewati beban dapat dilihat pada gambar dibawah. Meskipun terlihat naik turun, tegangan tetap bernilai positif. Tegangan semacam ini setara dengan tegangan DC.

Dengan membandingkan grafik tegangan input AC dan tegangan output DC kita dapat mengetahui bahwa:

Ø Tidak terdapat output selama setengah siklus negatif. Setengah dari daya input terbuang sia-sia.

Ø Amplitudo (tinggi gelombang) / tegangan output lebih kecil dibandingkan dengan amplitudo input. Hal ini disebabkan oleh timbulnya tegangan maju (tegangan konduksi) pada diode.

2. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Sesuai dengan namanya, rangkaian penyearah gelombang penuh akan menghasilkan gelombang secara penuh baik pada setengah siklus positif atau pada setengah siklus negatif. Rangkaian dibawah ini menyearahkan tegangan AC menggunakan sebuah rangkaian dioda jembatan (bridge) yang terdiri dari 4 buah dioda.

Selama setenga siklus positif, dioda D1 dan diode D2 mendapat bias maju, sehingga keduanya menghantarkan arus. Diode D3 dan diode D4 mendapatkan bias mundur, sehingga tidak menhantarkan arus. Arus mengalir melewati beban sebagaimana diperlihatkan gambar berikut ini:

Selama setengah siklus negatif, diode D1 dan diode D2 mendapat bias mundur sehingga keduanya tidak mengalirkan arus. Diode D3 dan D4 memperoleh bias maju sehingga menghantarkan arus.

Kesimpulan yang dapat kita peroleh adalah bahwa arus terus mengalir melewati beban, pada arah yang sama sebagaimana sebelumnya. Grafik-grafik tegangan input dan tegangan output adalah sebagai berikut:

Rangkaian penyearah tetap menghasilkan output selama berlangsungnya kedua siklus setengah gelombang, sehingga rangkaian ini efisien 100 %.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh juga dapat dibuat menggunakan 2 buah diode saja, tetapi menggunakan transformator tipe center tap (CT). Trafo CT memiliki 2 buah fase dan sebuah terminal CT sebagai 0 atau netral. setiap fase memiliki sudut yang berbeda 180°. Perbedaan sudut fase inilah yang dimanfaatkan untuk mendapatkan hasil penyearahan gelombang penuh. Apabila diperhatikan rangkaian penyearah gelombang penuh menggunakan trafo CT sebenarnya sama dengan 2 buah rangkaian penyarah setengah gelombang.